KR20080007616A - 휠의 회전 속도를 본질적으로 안전하게 탐지하는 구조 - Google Patents

휠의 회전 속도를 본질적으로 안전하게 탐지하는 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구체적으로 자동차 업계에서의 사용을 위해, 회전체와 함께 회전하는 엔코더 (23) 에 대한 자기장에 의해 연결되는 센서 (1, 6), 특히 작동 센서 (1) 에 의해 휠 또는 어떤 다른 회전체의 회전 속도의 탐지를 위한 구성에 관한 것이다. 센서 요소 (S1, S2) 와 엔코더 (23) 사이의 슬롯이 종래 기술의 구성에서 너무 작게 된다면, 플립핑 및, 따라서 휠의 측정된 속도가 배가되는 것이 발생할 수 있다. 이는 차량의 안전 장치에 문제를 야기할 수 있는데, 이 문제는 적절한 작동을 위한 휠 회전 속도의 정확한 안내가 요구된다. 종래의 배치에서의 부착 위치에 대한 공차를 개선하기 위해, 상이한 감도의 센서 요소 (S1, S2) 가 제공되는 두 개의 별도의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 를 사용하는 것이 제안된다. 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 는 감도의 최대율로 제공되는 신호 경로 (S1, f1) 가 방해받지 않는 정상 경우에 항상 이용할 수 있고, 엔코더 트랙 (13) 의 최소 이미지 결함이 최대 에어 슬롯과 동시에 얻어지고, 그와 동시에, 관찰 신호 경로 (S2, f2) 가 항상 있는데, 그 감도는 모든 자기 상태에서 플립핑이 안전하게 회피된다.

Description

휠의 회전 속도를 본질적으로 안전하게 탐지하는 구조{SYSTEM FOR INTRINSICALLY SAFE DETECTION OF A WHEEL ROTATIONAL SPEED}
본 발명은 청구항 제 1 항의 제부에 따른 회전 속도의 탐지 방법, 청구항 제 3 항의 제부에 따른 휠 또는 어떤 다른 회전체의 회전 속도의 탐지를 위한 구성, 및 청구항 제 15 항에 따른 방해 자기장 성분의 크기를 피하거나 억제하기 위한 센서 모듈에 관한 것이다.
자동차 업계용 작동 센서가 종래 기술에서 몇몇 경우에 알려져 있다. 2-선 구조와 3-선 구조가 있다. 본 발명의 설명은 제동 시스템에서 통상적인 관행인 2-선 구조의 실시예에 기초한 것이다. 하지만, 본 발명에 의해 예컨대 모터 적용 및/또는 기어 적용에 통례적인 3-선 구조에 관한 기본 아이디어를 사용하는 것도 포함된다.
기술의 이러한 상태가 도 1 에 나타나 있다. 도 1a 에서, 센서 (1) 와 ECU (ABS 제어기의 전자 제어 유닛, 또는 일반적으로 전자 체크 유닛) (2) 가 2-선 라인 (3, 4) 에 의해 전기적으로 서로 연결되어 있다. 센서의 작동은 단자 (K1, K2) 에서 ECU 에 의해 제공되는 작동 전압 (VB) 을 필요로 한다. 신호 전류 (IS) 가 센서를 통해 ECU 로 다시 흐르고, 그 세기는 엔코더 (5) 에 의해 발생되고 ECU 에서 디코드 (decode) 되는 회전 속도 정보의 맥동에 따라 변한다. 도 1b 에서, 센서 (6) 와 ECU (7) 가 3-선 라인 (8, 9 10) 에 의해 전기적으로 상호 연결되어 있다. 센서의 작동은 이 경우에도 역시 단자 (K'1, K'2) 에서 ECU 에 의해 제공되는 작동 전압 (VB) 을 필요로 한다. 센서는 감지 정보를 포함한 신호 전류 (VS) 를 단자 (K3) 를 통해 ECU 에 돌려보낸다.
도 2 는 2-선 인터페이스를 갖는 작동 휠 회전 속도 센서의 두 개의 전형적인 변형예의 내부 시스템 구성을 나타낸다. 추가적인 기능성이 없는 단향성 회전 속도 탐지용 센서가 도 2a 에 따라 도식화될 수 있다. 휠 회전 속도 센서 (1) 는 전기 신호 조절 스테이지 (SC) 에 연결된 자기 저항성 센서 요소 (S) 로 이루어진 센서 모듈을 포함한다. 센서 요소는 자기장 (H) 에 의해 엔코더 (E) 에 연결된다. 휠 회전 속도로 회전하는 엔코더는 휠 회전 속도 정보를 포함하는 증분 패턴을 갖는 에어 슬롯 (air slot) 필드 (H) 를 조정한다. 센서 요소 (S) 및 신호 조절 스테이지 (SC) 는 이 에어 슬롯 필드 조정에 의해 변조기 스테이지 (M) 의 제어를 위한 신호 전압을 발생하고, 이는 전류원 (11) 을 제어하고 따라서 엔코더의 증분 패턴은 부하-독립 신호 전류 (Is1) 로서 나타난다. 휠 회전 속도의 양방향성 탐지 및/또는 추가적인 (진단) 변수의 전이를 위한 센서는 도 2b 에 따라 도식화 될 수 있다. 이전과 대조적으로, 신호 조절 스테이지는 경로 (WS 및 ZI) 로 나누어진다. 스테이지 (WS) 는 엔코더 신호로부터 휠 회전 속도 정보를 조절하는데 사용되는 반면, 스테이지 (ZI) 는 센서/엔코터 인터페이스로부터의 추가적인 정보의 개별 조절하는 역할을 한다. 이러한 추가적인 정보는 예컨대 회전 방향 및 에어 슬롯 크기일 수 있다. 신호 스테이지 (SL) 에서, 스테이지 (WS 및 ZI) 에 의해 조절되는 신호는 변조기 스테이지 (M) 를 위한 제어 신호에 연결되고, 이는 전류원 (11) 을 제어하고 따라서 휠 회전 속도 기능의 프로토콜 및 제어 신호에 포함된 추가적인 기능은 부하-독립 신호 전류 (Is2) 로서 표현된다. 기술의 상태에 따르면, 3-단 프로토콜 또는 PWM (펄스 폭 조정) 프로토콜이 현재 사용되고 있다.
한편, 영구 자석과 조합하여 다양한 자기 에어 슬롯을 만드는 강자성 톱니 모양 휠 또는 천공 디스크를 사용하는 것이 가능하다. 다른 한편, 예컨대 휠 베어링 시일 내에 교대하는 차례로 박힌 영구적으로 자기화된 N-S 극 구역이 사용될 수 있다. 필요한 보조 자석은 센서 모듈의 기계적 요소로서 센서 내에 일체로 되어 있다. 이하에서 본 발명의 설명은 기본 기술 적용, 즉 영구적으로 자기화된 엔코더를 갖는 자기 저항성 센서의 조합은 제한되지만, 또한 본 발명의 요점인 당업자가 본 발명의 원리를 직접적으로 강자성 엔코더와 조합하는 것이 가능하다.
도 3 은 본 발명에 의한 목적인 개선과 연관된 자기 저항성 센서 요소의 구체적인 물리적 상황을 설명하기 위해 여기서 사용되는 기준 곡선 및 특성 곡선의 방향을 나타낸다. 도 3a 는 휠 회전 속도 작동시에 영구 자화 엔코더 트랙 (13) 에 기하학적으로 정렬된 도 2a 에 따른 자기 저항성 특별 센서 모듈 (12) 을 나타낸다. 엔코더 트랙은 XY 평면에 평평하게 놓이고 센서 요소에 대해 Y 방향으로 이동한다. 센서 모듈의 일부분 (14) 은 도 3b 에 도시된 것과 같이, 네 개의 자기 저항성 펌 알로이 (perm alloy) (바버 폴 (barber pole)) 로 만들어진 브리지 회로 (16) 를 포함한다. 저항층의 평면은 엔코더의 평면과 유사하게 XY 평면에 평행하다. 도 3c 는 자기 에어 슬롯 필드 세기 (Hy, Hx1 및 Hy, Hx2) 의 함수로서 신호 전압 (Vss) 의 작동 특성 곡선을 나타낸다. 여기서, Hy 는 엔코더 트랙의 이동 방향의 자기장 성분이고, Hx 는 이 이동 방향에 대해 횡방향으로의 엔코더의 자기장 성분이다. Hx1 및 Hx2 는 서로에 대해 반대로 배향된 x 방향 자기장 성분이다. 도 3c 는 엔코더 자기화의 교대하는 HX1, HX2 성분이 역 거울 (mirror-inverted) 특성 곡선 (18, 19) 을 초래하는 것을 나타낸다. Hx 성분의 교대하는 사인에 연결된 특성 곡선의 교대는 갑자기 발생하며 '플립핑 (flipping)' 이라 불린다. 플립핑은 엔코더 신호의 원치않는 변조 (corruption) (배가) 를 초래하고 회전 휠 속도 검출을 방해한다. 현재 실제로는, X 방향으로 분극화된 소위 편향 자석 (15) 이 소위 지지 필드를 발생시키고,이 지지 필드는 성분 (Hx1, Hx2) 보다 더 크고 따라서 두 개의 특성 필드 중 하나, 예컨대 18 을 고정시키기 때문에 플립핑은 회피된다.
도 4 는 X 방향으로의 엔코더의 자기 성분의 발생의 원인을 설명한다. 도 4a 는 자기 트랙 (21) 으로부터 나와서 금속 시트 (22) 로 만들어진 강자성 복귀 경로로 들어가는 자기장 (20) 을 갖는 엔코더를 XZ 평면에서 본 것을 나타낸다. 엔코더 트랙의 전기력 선속의 라인은 Z 방향으로 평행하게 넓은 중간 구역에서 나간다. 가장자리 구역에서, 나가는 방향은 추가적으로 X 방향을 향하는 경향이 있다. 이러한 Hx 성분은 불균일한 특성을 갖고 회전 속도 측정에 있어 바람직하지 않다. 도 4a 에 도시된 것과 같이, 중심선에 대한 센서 모듈 (12) 의 단지 작은 오프셋에 의해, 모든 감지할 수 있는 Hx 성분은 작용하지 않고 따라서 편향 자석 (15) 의 필드 세기는 항상 우세하고 특성 곡선 (18) 은 안정적으로 보인다.
도 4b 에 따른 엔코더에 의해, 중심 위치에 대해 동일한 오프셋을 갖는 센서는 이미 주요 Hx 성분을 포함하는 전기력 선속 라인의 범위로 들어올 것이고, 따라서 특성 곡선의 안정성이 위태롭게 된다. 엔코더가 단지 좁은 자기 리딩 트랙 (reading track) 및/또는 강한 자화를 갖고/갖거나 센서 모듈이 리딩 트랙의 중간부에서 밖으로 비교적 멀리 위치하고/하거나 센서 모듈이 엔코더 표면에 매우 가깝게 위치할 때, 위험은 심각할 수 있다. 따라서, 이러한 변수 중 하나 또는 이러한 수 개의 변수의 조합의 매우 강한 영향은 상기에 나타낸 플립핑이 발생하는 심각한 경우를 초래할 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 설명한 것과 같은 플립핑의 발생을 방해하거나, 이를 방지하거나, 또는 일반적으로 원하지 않는 플립핑이 방지되거나, 또는 억제되거나, 또는 자동적으로 탐지되고, 센서 모듈은 이 상태를 ECU 에 알리는 방식으로 센서 모듈의 고유 안전성을 강화하는 기술을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 청구항 제 1 항에 따른 회전 속도의 탐지 방법, 청구항 제 3 항에 따른 휠 또는 어떤 다른 회전체의 회전 속도의 탐지를 위한 구성, 및 청구항 제 15 항에 따른 방해 필드 성분의 크기를 피하거나 억제하기 위한 센서 모듈에 의해 달성된다.
본 발명은 각각의 경우 하나 이상의 센서를 갖는 두 개의 신호 경로를 사용하는 아이디어에 기초한 것이고, 이러한 신호 경로는 이동 자석 엔코더에 의해 조정되는 자기장의 탐지에 대한 측정 기술에 있어서 상이한 구조를 갖는다.
본 발명의 구성의 원리는 기본적으로 한 신호 경로의 출력 신호가 규칙적으로 전자 제어 유닛에 의해 평가되고 (출력 신호가 동일한 경우), 두 개의 신호 경로의 출력 신호가 동일하지 않은 경우에는 다른 신호 경로의 출력 신호가 평가되는 것에 있다.
본 발명의 구성은 예컨대 감시된 휠의 회전 속도를 나타낼 수 있는 두 개의 출력 신호가 동일한 경우에 탐지된 회전 속도의 정확성에 의해 강화된 안전성을 달성한다. 적절하게는, 당업자는 출력 신호가 동일하지 않은 경우에 더 정확한 정보를 제공할 수 있게 신호 경로를 제어 유닛에 연결할 것이다.
편향 자석은 영구 자석 및 정해진 오프셋 자기장 세기를 발생하는데 사용되는 전자석 두 가지 모두를 포함한다.
자기장 센서 요소가 자기장을 탐지할 수 있고 이러한 필드의 정해진 양을 적절하게 측정된 변수로 전환할 수 있고 이를 출력할 수 있는 센서 요소에 관한 것이고, 이는 더 구체적으로 GMR 센서 요소 또는 Hall 브리지와 같은 자전기 변환기 요소를 의미한다.
본 출원의 범위 내에서 기재되고 청구된 방향 및 거리에 대한 명세서는 이러한 명세서는 또한 정해진 공차를 갖거나 본 명세서가 기본적으로 적용되는 실시형태를 포함하는 전제에 의해 이해되어야 한다.
센서 모듈은 하나 이상의 센서 요소를 포함하지만, 신호 평가용 전자 회로 및 디지털 데이터 처리용 전자 회로는 반드시 필요한 것은 아닌 모듈을 의미한다. 하지만, 신호 평가용 전자 회로 및 선택적으로 디지털 데이터 처리용 전자 회로 두 가지 모두가 센서 모듈에 결합되는 것이 가능하다. 센서 모듈은 본 발명에 기재된 것과 같은 시스템의 일부일 수 있다.
바람직하게는, 제 1 신호 경로는 제 2 신호 경로보다 상당히 더 높은 감도를 나타낸다. 따라서, 한편 제 1 신호 경로는 엔코더의 약한 신호에도 또한 반응한다. 하지만 다른 한편으로는, 스퓨리어스 (spurious) 신호가 결과를 쉽게 손상시킬 수 있다. 이러한 경우, 간섭 경향이 낮은 제 2 신호 경로로 바뀌게 된다. 실질적으로 나타나듯이, 이러한 조합은 장착 위치에 관하여 상당히 강화된 구성의 공차를 가능하게 한다. 예컨대 제 1 신호 경로의 센서 요소와 엔코더 사이의 거리가 매우 짧게 될 때, 제 1 신호 경로의 오류적 정보는 무시할 수 없게 된다. 하지만 이러한 짧은 거리에 있어서, 제 2 신호 경로가 정확한 정보를 출력할 수 있다.
제 1 신호 경로의 플립핑에 의한 휠의 회전 속도에 관한 잘못된 정보는 제 2 신호 경로로 바뀌게 되는 것에 의해 즉각적으로 수정되는 것이 바람직하다.
장치의 설치 위치에 대한 특히 큰 공차를 달성하기 위해, 청구항 제 5 항의 특징을 사용하는 것이 타당하다. 이에 의해 시스템이 여유있게, 따라서 높은 안전성으로 작동하는 설치 위치가 보호된다. 에어 슬롯이 더 줄어들 때, 그 후에 두 개의 신호 경로의 감도는 증가할 것이다. 결국, 이는 제 1 신호 경로 상의 플립핑을 초래할 수 있지만 제 2 신호 경로의 감도는 동시에 개선되고 따라서 이 제 2 신호 경로는 정확한 회전 속도를 나타낼 가능성이 크다.
두 개의 신호 경로의 센서 요소는 하나의 연결 하우징에 배치되고 바람직하게는 하나의 연결 편향 자석을 갖는 것이 바람직하다.
센서 모듈이 자석 엔코더의 이동에 의해 조정되는 방해 자기장 성분의 크기를 피하거나 억제하기 위해 기재되어 있다. 이 센서 모듈은 하나 이상의 제 1 및 제 2 자기장 센서 요소와 하나 이상의 편향 자석으로 이루어져 있고, 데카르트 좌표 (Cartesian coordinates) 계에 대해, 자석 엔코더의 반경에 의해 정의되는 그 코딩 표면에 대한 자석 엔코더는 x-y 평면에 실질적으로 평행하게 배치되고, 자화 방향에 대한 편향 자석 및 각 센서 표면에 대한 자기장 센서 요소는 자석 엔코더의 코딩 표면에 본질적으로 평행하게 정렬되며, 따라서 x 축에 평행하고, 제 1 자기장 센서 요소 및 제 2 자기장 센서 요소는 z 방향으로 자석 엔코더로부터의 거리가 상이하게 배치되어 있다.
바람직하게는, 특히 센서 모듈의 두 개의 자기장 센서는 상이한 감도율을 갖는다.
서로에 대한 그리고 자석 엔코더에 대한 자기장 센서 요소와 편향 자석은, 제 1 자기장 센서 요소는 하나 이상의 다른 자기장 센서 요소보다 더 높은 수준으로 자석 엔코더에 의해 조정되는 z 방향에서의 자기장 성분을 탐지하고, 제 2 자기장 센서 요소는 편향 자석에 의해 생기는 x 방향으로의 자기장 성분을 자석 엔코더에 의해 조정된 x 방향으로의 자기장 성분과 비교하여 규정된 수준 이상으로 증가된 방식으로 탐지하는 것이 적절하다.
본 발명의 구성의 적용 분야는 회전하는 휠에 제한되지 않고, 선형 운동에 대해서도 또한 효과적인 방식으로 유사하게 사용될 수 있다. 하지만, 본 발명을 청구항 제 6 항의 특징에 대응하여 적용하는 것이 특히 유리하다.
바람직하게는, 상기 장치는 장치의 상태를 설명하는 신호를 얻기 위해 사용되고, 따라서 장치에 의해 출력된 정보를 평가할 때 이러한 장치의 상태를 고려하는 것이 가능하게 된다.
더욱 바람직한 실시형태는 종속 청구항과 이하의 개략적인 도면에 의한 실시형태의 설명에서 알 수 있다.
제안된 장치는 바람직하게는 자기 저항성, 특히 이방성 효과를 기초로한 센서 요소를 갖는 소위 작동 센서에 의한 본질적으로 안전한 휠 회전 속도 탐지를 위해 사용된다. 본 발명은 플랜트 엔지니어링 및 기계 공학, 특히 자동차 산업 전 분야에서 사용될 수 있고, 여기서 주로 전자적으로 제어되는 브레이크 시스템에서 사용될 수 있다. 본 발명의 센서 모듈뿐만 아니라 기재된 방법 및 본 발명의 구성은 서로 개별적으로 또는 조합에 의해 사용될 수 있다.
이하의 도면은 기술의 상태, 사용된 기준의 방향, 및 다양한 실시형태를 갖는 본 발명을 설명하는 역할을 한다. 첨부된 도면은 이하와 같다.
도 1 은 두 개의 휠 회전 속도 탐지 시스템의 원리적 구조를 나타낸다.
도 2 는 전형적인 센서 모듈의 개략적인 구조를 나타낸다.
도 3 은 본 설명을 기초로 한 기준 곡선 및 특성 곡선의 방향을 나타낸다.
도 4 는 자극 휠에 의한 전기력 선속 라인의 개략적인 방향을 나타낸다.
도 5 는 본 발명의 구성의 원리적 구조를 블록 선도로 나타낸다.
도 6 은 종래의 휠 회전 속도 탐지 시스템에 사용되는 신호 프로토콜을 나타낸다.
도 7 은 센서 요소의 공간 분리의 원리를 나타낸다.
도 8 은 공간적으로 분리된 신호 경로의 제 1 실시형태를 나타낸다.
도 9 는 공간적으로 분리된 신호 경로의 제 2 실시형태를 나타낸다.
도 10 은 상이한 고유 이방성에 의한 분리의 원리를 나타낸다.
도 11 은 고유 이방성에 영향을 미치는 변수를 나타낸다.
도 12 는 본 발명에 적용할 수 있는 민감한 브리지 구조의 개략적인 선도를 나타낸다.
도 13 은 본 발명에 적용할 수 있는 브리지 구조의 기하학적 변형예를 나타낸다.
도 5 는 엔코더 (23), ECU (25) 에 연결된 본질적으로 안전한 센서 (24) 로 구성된 대표적인 구성을 나타낸다. 센서 (24) 는 두 개의 자기 저항성 센서 요소 (S1 및 S2) 를 포함하고, 이들 센서 요소는 적절한 구조적 수단, 일반적으로 상이한 에어 슬롯 필드 세기 (H1, H2) 의 두 개의 자기적 에어 슬롯을 통해 엔코더에 자기적으로 연결되는데, 본 발명의 경우 특별한 경우 (H1 = H2) 를 고려하고 이는 실시형태에서처럼 나타나게 된다. 각 센서 요소로부터, 휠 회전 속도 신호가 연관된 신호 조절 스테이지 (26, 27) 에 의해 조절된다. 중복되는 예로서 여기 나타낸 것과 같이, 도 2b 에 따른 종류의 휠 회전 속도 센서의 경우에 대하여, 추가 정보 (ZI1) 가 센서 요소 (S1) 로부터 얻어지는데, 이 추가 정보는 도 2b 에 ZI 로 나타낸 정보와 그 기능성에서 대응한다. 스테이지 (26 및 27) 의 신호 주파수는 일치를 위해 주파수 비교기 스테이지 (28) 에서 비교된다. 비교기 스테이지 (28) 는 그 결과로 신호 주파수의 일치 또는 불일치에 대한 상태 비트를 결과 프로토콜로서 발생시킨다. 동시에, 추가적 정보 (ZI1, ZI2) 의 신호 경로는 이 신호 로직 (30) 에 항상 연결되어 있는 반면, 비교기 스테이지 (28) 는 센서 요소 (S1), 스테이지 (26) 또는 센서 요소 (S2), 스테이지 (27) 로부터 시작된 신호 경로를 신호 로직 (30) 에 교대로 연결하는 전기 정류자 (29) 를 제어한다. 신호 로직은 이로부터 변조기 (M) 및 전류원 (11) 에 의해 신호 전류 패턴으로 표현되어 있고 ECU (25) 로 전달되는 신호 프로토콜을 생성한다.
따라서, 최대 감도율로 제공되는 신호 경호가 항상 사용 가능하고 따라서 간섭받지않는 정상 경우에서, 동시에 모든 자기적 상태에서 플립핑이 안전하게 방지되도록 감도가 정해지는 관찰 신호 경로가 항상 있지만, 엔코더 트랙의 최소 이미 지 결함이 최대 에어 슬롯과 동시에 달성된다. 이하의 등급 안내가 이에 대하여 제안된다.
더 민감한 경로의 감지 감도의 등급을 정하기 위한 대표적인 조건이, 에어 슬롯 길이가 닿는다면 안전성을 갖는 더 민감한 경로 (예컨대 6dB) 가 플립핑에 의해 위태롭게 되는 것을 더 이상 허락하지 않는 점에서 주어지고, 안전성을 갖는 민감하지 않은 경로 (예컨대 6dB) 의 신호는 잡음 위에서 탐지된다.
이후에 설명될 대표적인 구조의 변형의 기술적 원리와 그 조합은 많은 구조의 변화를 허락한다.
플립핑에 대항하는 휠 회전 속도 센서의 고유 안전성을 강화하기 위한 신호 평가의 이하의 변형예가 제안된다.
제 1 경우:
주파수 (민감한 경로) 는 주파수 (관찰 경로) 와 동일
o 잉여 상태
o 높은 고유 안전성
o 단지 민감한 경로만 사용됨
제 2 경우:
주파수 (민감한 경로) 는 주파수 (관찰 경로) 와 동일하지 않음
o 플립 상태에 대한 진단 상태가 신호 프로토콜에서 판명된다
o 단지 관찰 경로만 사용됨
o 휠 회전 속도 정보의 이용성이 비상시의 작동을 위해 보존된다.
도 6 은 현재의 통례적인 신호 프로토콜 및 플립핑에 대한 진단 정보를 ECU 에 전달하는 가능성을 나타낸다.
도 6a 는 단향성 휠 회전 속도 검출의 표준으로서 정해지는 이단 (two-level) 프로토콜을 나타낸다. 여기서, 예로 주어진 플립핑의 상태는 일정한 레스트 (rest) 높이에 의해 ECU 에 알려진다.
도 6b 는 자동차 업계에서 또한 사용되는 삼단 (three-level) 프로토콜을 나타낸다. 높이 (Ih) 에 의해 회전 속도 정보가 탐지되는 동안, 회전의 방향, 에어 슬롯 크기 등과 같은 다양한 추가적인 정보의 일부가 레벨 범위 (Im 및 I1) 에서 비트의 일련의 순서로 코드화된다. 플립핑 상태의 코딩을 위해 이러한 비트 중 하나를 사용하는 유리한 가능성이 있다. 상당히 개선된 설비의 안전성이 이미 제공된 에어 슬롯 진단과 연관하여 체크될 수 있다.
도 6c 는 자동차 업계에서 또한 사용되는 PWM 프로토콜을 나타낸다. 여기서, 플립핑의 상태는 정의된 펄스-폭 비에 의해 ECU 에 알려질 수 있다.
민감한 신호 경로와 관찰 신호 경로의 특성을 실현하기 위해서, 두 개의 기술적 개념이 제안되는데, 이는 서로에 대해 대안으로 또는 조합되어 사용될 수 있다. 제 1 대안적 개념은 엔코더의 XY 평면에 대해 Z 방향으로의 두 개의 동등하게 민감한 감지 구조 (예컨대 브리지) 의 공간의 오프셋의 사용을 기초로 한다. 제 2 대안적 개념은 엔코더의 XY 평면에 대해 평행한 평면 내의 두 개의 상이하게 민감한 감지 구조의 사용을 기초로 한다. 제 3 개념은 엔코더의 XY 평면에 대해 Z 방향으로 서로에 대해 공간의 오프셋을 갖는 두 개의 상이하게 민감한 감지 구조의 조합이다. 센서 모듈의 상이한 실시형태가 이러한 개념의 결과이다.
도 7 은 서로에 대해 Z 방향으로 오프셋 된 두 개의 감지 구조, 주로 브리지 구조에서의 대표적인 센서 모듈의 개념은 동일한 전기적 기준 필드 세기에 대한 동일한 및 동일하지 않은 감지 감도 두 가지를 나타낼 수 있는 것을 나타낸다. 민감한 브리지 구조를 갖는 두 개의 실리콘 담체 (32, 33), 또는 자기장 센서 요소 (34, 35) 가 각각 플라스틱으로 된 하우징 (31) 에 끼워진다. 이러한 두 칩의 맞대기 (back-to-back) 구성에 의해 Z 방향으로의 공간의 오프셋이 발생한다. X 방향으로 분극화된 개별 편향 자석 (36) 이 자기층 (21) 및 외측 철심 (iron core) (22) 를 갖는 엔코더 (37) 의 필드 성분에 대한 상이한 필드 세기 (Hx) 에 의한 Z 방향으로의 공간의 오프셋에 의해, 두 개의 감지 층을 자기적으로 편향시킨다. 센서의 리딩 트랙은 엔코더의 미들 트랙 (middle track) 에 대해 X 방향으로 오프셋되고, 따라서 간섭 Hx 성분 (38) 은 플립핑을 초래할 수 있는 편향 필드를 방해한다. 대표적인 센서 모듈은 추가적으로 플립핑에 대해 최대로 저항하는 관찰 통로뿐만 아니라 요구되는 최대 민감한 경로를 실현하기 위해 이하의 기술적인 방해를 사용한다. 센서 구조 (35) 에 관하여, 엔코더의 표면까지의 거리 (L4) 는 상대적으로 짧은 반면, 편향 자석까지의 거리 (L3) 는 상대적으로 크고, 즉 상대적으로 강한 엔코더의 자기 성분 (Hy) 이 상대적으로 약한 편향 성분 (Hx) 의 경우에 작용한다. 따라서, 구조/자기 필드 센서 요소 (35) 는 요구되는 것과 같이 매우 민감하다. 센서 구조/자기 필드 센서 요소 (34) 의 경우 그 반대이다. 엔코더의 표면까지의 거리 (L2) 는 상대적으로 큰 반면, 편향 자석까지 의 거리 (L1) 는 상대적으로 짧고, 즉 상대적으로 강한 편향 성분 (Hx) 의 경우에, 더 이상 플립핑을 발생시키지 않는 엔코더의 상대적으로 약한 간섭 방해 성분만이 작용할 것이다. 미리 정해진 센서-엔코더-에어-슬롯 간섭의 연속된 적응을 위해, 이하의 변수의 변형 가능성의 기술적으로 가장 유리한 조합이 사용될 수 있다.
ㆍ Z 방향으로의 자기장 센서 요소 (34, 35) 의 상호 거리의 적응을 위한 실리콘 담체 층의 두께의 선택
ㆍ 하우징 (31) 으로의 삽입 두께의 선택에 의한 엔코더 표면까지의 실리콘 담체 층의 패키지의 거리의 선택
ㆍ 편향 자석에 의해 생기는 자기장의 세기의 적응
ㆍ 끼워진 하우징 층 두께의 선택에 의한 실리콘 담체 층의 패키지로부터의 편향 자석의 기하학적 거리의 적응
ㆍ두 개의 자기장 센서 요소 또는 자기 저항성 구조 (34, 35) 각각의 개별 감도의 선택.
도 8 은 도 7 의 개념에 따른 센서 모듈의 다른 대표적인 실시형태의 개략도를 나타낸다. 도 8a 는 도 8b 의 부분 겨냥도에 대한 삼차원 도이다. 편향 자석 (39) 은 여기서 리드 (lead) 프레임 (40) 에 자기층 (예컨대 SmCo 로서) 으로 사용되고 있다. 리드 프레임 끝 (41) 및 리드 프레임 다른 한 쪽 (42) 은 센서 모듈의 2-선 연결을 형성한다 (필요한 주형 하우징 (47) 은 도시되지 않음). 자기층 위에, ASIC (주문형 반도체) (44) 를 갖는 실리콘 칩 (43) 이 구성되고 이는 도 2 에 따른 신호 전류의 생성에 의한 신호 조절을 위해 사용된다. 서로로 부터 가로 거리에서 이 ASIC 에 제공된 것은 자기 저항성 브리지 (45, 46) 를 갖는 두 개의 실리콘 담체 (433, 444) 이고, 브리지 (45) 는 결합 기술에 의해 ASIC 에 전기적으로 연결되어 있지만, 브리지 (46) 는 플립-칩 기술에 의해 ASIC 에 전기적으로 연결되어 있다. 엔코더 트랙 (48) 에 반대하여, 참조 번호 (45) 는 민감한 경로의 자기장 센서 요소를 나타내고, 참조 번호 (46) 는 관찰 경로의 플립-저항 자기장 센서 요소를 나타낸다.
도 9 는 센서 모듈의 두 개의 다른 변형예를 나타낸다. 도 8 에 이미 알려진 것과 같이, 여기서 자기장이 리드 프레임보다는 실리콘 칩 (43) 의 후방측에 가해진다는 차이와 함께 두 개의 변형예는 리드 프레임 (40) 의 적층, 편향 자석 (39), ASI (44) 를 갖는 실리콘 칩 (43) 이 공통점이다. 도 9a 에서, 자기장 센서 요소 (50) 는 결합 연결에 의해 ASIC 에 연결되어 있는 반면, 기계적으로 서로 '맞대기' 로 고정되어 있는 두 개의 실리콘 칩 (49, 51) 의 적층이 플립칩 기술에 의한 자기장 센서 요소 (52) 를 사용하는 ASIC 와 전기적으로 접촉하고 있다. 도 9a 의 전체 구성은 센서 모듈의 기능 요소를 포함한다. 도 9b 에 따른 변형예에서, 두 개의 자기 저항성 센서 요소 (54, 55) 의 담체의 수용력 내의 하나의 단일 실리콘 칩 (53) 이, 기능성은 다른 면에서 동일한 반면, 도 9a 에 따른 적층 (49, 51) 을 교체한다.
도 10 은 주로 브리지 구조인, 동일한 XY 평면에서 서로에 대해 오프셋 되어 있고 동일한 자기 기준 필드 세기에 대한 동일하지 않은 감지 감도를 나타내는 두 개의 감지 구조의 대안적인 개념의 실시형태를 나타낸다. 민감한 브리지 구조 를 갖거나, 또는 자기장 센서 요소 (58, 59) 를 갖는 실리콘 담체 (57) 가 각각 플라스틱으로 된 하우징 (56) 에 끼워진다. 이러한 두 개의 브리지 구조 또는 센서 요소의 공간의 오프셋은 엔코더 (37) 의 XY 평면에 평행한 실리콘 담체의 평면에서 발생한다. X 방향으로 분극화된 분리된 편향 자석 (36) 은 자기층 (21) 및 외측 철심 (22) 을 갖는 엔코더 (37) 의 자기 성분에 대한 상이한 필드 세기 (Hx) 로 X 및/또는 Y 방향으로의 공간의 오프셋에 의해 두 개의 감지 층을 자기적으로 편향시킨다. 센서 모듈의 리딩 트랙은 자석 엔코더의 미들 트랙에 대해 X 방향으로 오프셋 되고, 따라서 간섭 Hx 성분 (38) 은 플립핑을 초래할 수 있는 편향 필드를 방해한다. 대표적인 실시형태는 플립핑에 최대한으로 저항할 수 있는 관찰 경로 외에 요구되는 최대 민감한 경로를 실현하기 위해 자기 저항성 구조의 고유 이방성을 넓은 범위로 변경하기 위해 도 11 에 도시한 기술적 가능성을 사용한다. 펌 알로이 (가장 중요한 자기 저항성 물질) 로 만들어진 스트립 (strip) 형 저항기 (60) 의 고유 이방성 (H0) 의 크기는, H0 에 대한 공식에 나타나듯이, 기본적으로 스트립 폭 및 층 두께 사이의 비에 달려있고, 따라서 넓은 한계 내에서 변할 수 있다. 민감한 경로는 낮은 고유 이방성을 갖는 센서가, 즉 상대적으로 얇고 넓은 스트립이 요구되고, 그 반면 관찰 경로는 큰 고유 이방성을 갖는 센서가, 즉 상대적으로 두껍고 좁은 스트립이 요구된다. 플립-저항 센서 구조의 고유 이방성을 충분히 지지하고, 추가적으로 민감한 경로의 감도를 과도하게 제한하지 않는 적절한 치수를 갖는 편향 자기화와 관련하여, 본 발명의 목적을 대표적으로 간단한 방식으로 달성하는 것이 가능하다.
도 12 는 두 개의 신호 경로를 위한 감지 요소의 전기 회로를 나타낸다. 도 12a 에서, 민감한 경로에는 전위 없는 신호 전압 (Vs1) 을 갖는 자기 저항성 풀 브리지 (R1, R2, R3, R4) 가 주어지고, 플립-저항 관찰 경로는 (접지) 전위와 관계된 전압 (Vs2) 을 갖는 하프 브리지 (R5, R6) 를 갖는다. 도 12b 에서, 두 개의 경로 모두는 연관된 전위 없는 신호 전압 (Vs4, Vs3) 을 갖는 풀 브리지 (A, B, C, D 및 A', B', C', D') 를 포함한다. 바버 폴 구조가 작동 특성 곡선의 선형화를 위한 자기 저항성 스트립형 저항기 위에 겹쳐지거나 , 또는 스트립 자체는 바버 폴 패턴에 기학학적으로 정렬되며, 이러한 경우 추가적인 상층 구조가 더 이상 필요하지 않다.
도 13 은 그 실리콘 담체의 XY 칩 평면에 평행한 정렬을 참고한 도 12b 에 따른 자기 저항성 브리지 저항기의 기하학적 구성의 다양한 유리한 형상을 나타낸다. 아래에 나타낸 화살표는 브리지 저항기에 대해 이동된 엔코더 트랙의 Y 이동 방향을 의미한다. 도 13a 에서, 관찰 경로의 두 개의 브리지 가지는 중심에 배치된 민감한 경로의 브리지를 엔코더 트랙의 이동 방향으로 둘러싼다. 도 13b 에서, 민감한 경로의 두 개의 브리지 가지는 중심적으로 구성된 관찰 경로의 브리지를 둘러싼다. 도 13c 에서, 관찰 경로의 두 개의 브리지 가지는 중심에 배치된 민감한 경로의 브리지를 편향 필드의 방향으로 둘러싼다. 도 13d 에서, 민감한 경로의 두 개의 브리지 가지는 중심에 배치된 관찰 경로의 브리지를 편향 필드 방향으로 둘러싼다. 도 13e 에서, 관찰 경로의 브리지 요소는 민감한 경로의 중심에 배치된 브리지 요소를 중심적으로 둘러싼다. 도 13g 에서, 민감한 그리고 관찰 경로의 브리지 가지는 Y 이동 방향으로 교대로 있을 수 있다.

Claims (17)

  1. 회전체와 함께 회전하는 엔코더 (5, 13, 23) 에 자기장에 의해 연결된 센서에 의해 휠 또는 어떤 다른 회전체의 회전 속도를 탐지하는 방법에 있어서,
    하나 이상의 자체 센서 요소 (S, S1, S2) 를 갖는 두 개 이상의 분리된 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 신호는 서로 비교되고, 비교 결과에 따라 두 개의 신호 경로 중 하나가 다음의 전자 제어 유닛 (ECU) (25) 에 연결되는 것을 특징으로 하는 회전 속도의 탐지 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 경로 (S1, f1) 는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 와 상이한 감도를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 속도의 탐지 방법.
  3. 특히 제 1 항 및 제 2 항의 방법을 실행하기 위해, 회전체와 함께 회전하는 엔코더 (23) 에 자기장 (H1, H2) 에 의해 연결된 센서 (24) 에 의해 휠 또는 어떤 다른 회전체의 회전 속도를 탐지하는 장치에 있어서,
    상기 센서 (24) 는 하나 이상의 자체 센서 요소 (S, S1, S2) 및 바람직하게는 자체 신호 조절 스테이지 (26, 27) 를 갖는 두 개의 개별 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 를 포함하고, 상기 경로의 출력 신호는 비교기 (28) 에서 비교되며, 비교기 (28) 에서의 비교 결과에 따라서, 두 개의 신호 경로의 제 1 신호 경로 (S1, f1) 또는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 가 그 다음의 전자 제어 유닛 (ECU) (25) 에 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 경로 (S1, f1) 는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 의 감도보다 규정된 값 만큼 더 큰 감도를 갖고, 제 1 신호 경로 (S1, f1) 는 플립핑이 무시되지 않는 방식으로 설계 및/또는 구성되고, 제 2 신호 경로 (S2, f2) 는 플립핑을 무시하는 방식으로 설계 및/또는 구성되는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 신호 경로 (S1,f1; S2, f2) 는 제 1 신호 경로 (S1, f1) 는 에어 슬롯 길이가 도달된다면, 플립핑에 의해 더 이상 위태롭게 되지 않는 방식으로 설계 및/또는 구성되고, 제 2 신호 경로 (S2, f2) 의 신호는 잡음 위에서 탐지되는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 출력 신호는 엔코더의 회전 속도를 나타내고, 따라서 회전체의 회전 속도를 나타내고, 비교기에서 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 출력 신호가 동일한 경우에, 제 1 신호 경로는 그 다음 의 전자 제어 유닛 (ECU) (25) 에 연결되고, 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 출력 신호가 동일하지 않은 경우에는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 가 그 다음의 전자 제어 유닛 (ECU) (25) 에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 출력 신호가 동일한 경우에, 센서는 잉여 진술을 제공하고/하거나 센서의 고유 안전성의 높은 비율을 설명하는 정보를 출력하고, 상기 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 출력 신호가 동일하지 않은 경우에, 센서는 제 1 신호 경로의 오류 상태에 관한 진단 진술을 제공하는 정보를 출력하는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 신호 경로 (S2, f2) 가 상기 전자 제어 유닛 (ECU) (25) 에 연결된 경우에, 휠 회전 속도 정보가 비상시의 작동을 위해 상기 유닛에 사용 가능한 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  9. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 센서 요소는 대략 동일한 감도를 갖고 엔코더 (23) 의 XY 평면에 대해 Z 방향으로 서로에 대해 공간적으로 오프 셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  10. 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 경로 (S1, f1) 의 센서 요소 (S1) 는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 의 센서 요소 (S2) 보다 더 높은 감도를 갖고, 상기 두 개의 센서 요소 (S1, S2) 는 실질적으로 엔코더 (23) 의 XY 평면에 평행한 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 경로 (S1, f1) 의 센서 요소 (S1) 는 제 2 신호 경로 (S2, f2) 의 센서 요소보다 더 높은 감도를 갖고, 상기 두 개의 센서 요소는 엔코더의 XY 평면에 대해 Z 방향으로 서로에 대해 공간적으로 오프셋 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  12. 제 3 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 신호 경로 (S1, f1) 에 속한 센서 요소 (S1) 에는 자기 저항성 풀 브리지가 제공되고, 제 2 신호 경로 (S2, f2) 에 속한 센서 요소에는 바람직하게는 자기 저항성 하프 브리지가 제공되는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  13. 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 개의 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 의 센서 요소는 연결 실리콘 칩 (43) 에 배치되고 바람직하게는 서로의 상부에 놓이거나 나란히 놓이고, 상기 실리콘 칩에는 ASIC 가 제공되고, 여기에 상기 신호 경로 (S1, f1; S2, f2) 에 속한 전기 회로의 적어도 본질적인 부분이 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    리드 프레임 (40) 과 연결된 편향 자기층, ASIC 를 갖는 실리콘 칩 (43) 이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 속도를 탐지하는 장치.
  15. 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 의 이동에 의해 조정되고, 하나 이상의 제 1 (35, 45, 50, 54) 및 제 2 자기장 센서 요소 (34, 46, 52, 55) 와 하나 이상의 편향 자석 (36, 39) 으로 이루어진 간섭 자기장 성분의 크기를 피하거나 억제하기 위한 센서 모듈에 있어서,
    데카르트 좌표계에 대해, 자석 엔코더의 반경에 의해 정의되는 그 코딩 표면에 대한 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 는 x-y 평면에 실질적으로 평행하게 배치되고, 자기화 방향에 대한 편향 자석 (36, 39) 및 각 센서 표면에 대한 자기장 센서 요소 (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55) 는 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 의 코딩 표면에 본질적으로 평행하게 정렬되며, 따라서 x 축에 평행하고, 제 1 자기장 센서 요소 (35, 45, 50, 54) 및 제 2 자기장 센서 요소 (34, 46, 52, 55) 는 z 방향으로 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 로부터의 거리가 상이하게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 두 개 이상의 전기장 센서 요소 (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55, 58, 59) 는 상이한 감도율을 갖는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    서로에 대한 그리고 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 에 대한 자기장 센서 요소 (34, 35, 45, 46, 50, 52, 54, 55, 58, 59) 와 편향 자석 (36, 39) 은 제 1 자기장 센서 요소 (35, 45, 50, 54) 는 하나 이상의 다른 자기장 센서 요소 (34, 46, 52, 55) 보다 더 높은 수준으로 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 에 의해 조정되는 z 방향에서의 자기장 성분을 탐지하고, 제 2 자기장 센서 요소 (34, 46, 52, 55) 는 편향 자석 (36, 39) 에 의해 생기는 x 방향으로의 자기장 성분을 자석 엔코더 (5, 13, 23, 37) 에 의해 조정된 x 방향으로의 자기장 성분과 비교하여 규정된 수준 이상으로 증가된 방식으로 탐지하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
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